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PA发展历程及研究意义,一、功率放大器,(PA),的发展历程及研究意义,功率放大器的概述,功率放大器发展历程:,射频器件发展,射频技术发展,电路设计发展,功率放大器的研究意义,一、功率放大器(PA)的发展历程及研究意义 功率放大器的,功率放大器概述,射频功率放大器,(RF PA),作为各种无线发射机的重要模块,在现代,通信系统中的主要作用是在工作频段高效率地放大射频小信号,并将大功率射频信号传输到发射天线中。,射频功率放大器的工作过程,实际上是将电源直流功率在输入调制信号的控制下转换成具有相同频率、相同相位的大功率信号。,提高射频功率放大器的输出功率、工作效率以及线性度和稳定性等性能指标对于整个通信系统具有重要的意义。,功率放大器概述 射频功率放大器(RF PA)作为各种无线,1948,年双极晶体管,(BJT),1952,年提出结型场效应管,(JFET),硅双极晶体管开始应用于射频微波领域,可以对从几百兆赫,(UHF),到,Ka,波段的信号进行放大,70,年代以后,GaAs,肖特基势垒栅场效应晶体管,(GaAs MESFET),使射频微波功率放大器具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点,80,年代,ALGaAs/GaAs,或,InP/InGaAs,组成的异质结双极晶体管,(,HBT),射频固态功率放大器的工作频率到毫米波频段,90,年代多种新型固态器件,高电子迁移管,(HEMT),、假同晶高电子迁移管,(PHEMT),、异质结场效应管,(HFET),、异质结双极管,(HBT),多种新材料如,InP,SiC,及,CaN,这些器件能够对,100GHz,乃至更高频率的信号进行放大,而且在多数情况下可以运用,MMIC,技术,射频器件发展,1948年双极晶体管(BJT)硅双极晶体管开始应用于射频微波,射频技术发展,DSP,技术和微处理控制技术,广泛地应用各种功率放大器线性化技术,复杂的反馈技术和预失真技术来提高放大器的效率及线性度,功率合成技术,采用多个放大管输出高达几千瓦的功率,宽带技术,对带宽达几十个,GHz,以上的信号进行放大,各种效率增强技术,射频技术发展DSP技术和微处理控制技术广泛地应用各种功率放大,射频功率放大器的应用,射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低等优点,广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种工业装备中。,在军用与铁路通信中,功率放大器通常被用于无线通信系统发射机、军用雷达的核心器件。,在第三代移动通信系统,(3G),中,要求数据传输速率达到,2M bit/s,,单个信号的带宽达,5MHz,,这就需要,PA,具有宽带特性。,为了降低通信运营商的运营成本,减小冷却成本,易于热控制,就要求提高,PA,的效率。,为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量,以更低的功率进行驱动,降低成本,就要求提高放大器的增益。,射频功率放大器的应用 射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸,A,类功率放大器的导通角,=360,,高线性度,最高效率也只有,50%,,常用于小信号放大。,B,类放大器由于采用零偏置,导通角,=180,,理想状态下的效率最高可达到,78.5%,,常用于中低频大功率放大电路。,AB,类功率放大器的导通角,180360,,效率和线性度折中的电路类型,最大效率在,50%,与,78.5%,之间,动态范围有限,一般从一,15dB,到,30dB,。,C,类功率放大器又被称为谐振功率放大器,其导通角,180,,动态范围非常窄,只能在,0dB,到,6dB,范围内变化,效率取决于导通角大小,不能用于调幅信号的放大。,二、功率放大器的分类,A类功率放大器的导通角=360,高线性度,最高效率也只有,二、功率放大器的分类,开关型功率放大器(,Switching Mode PA,SMPA),SMPA,将有源晶体管驱动为开关模式,晶体管的工作状态要么是开,,要么是关,其电压和电流的时域波形不存在交叠现象,所以是直流,功耗为零,理想的效率能达到,100%,。,二、功率放大器的分类,1958,年,,D,类,PA,具有体积小、功率高等特点,2001,年,逆,D,类,(,Current Mode Class D,CMCD),1975,年,,E,类,PA,是一种强开关型、高效率的,PA,2005,年,逆,E,类,PA,从一定程度上降低了,PA,电路受功率器件寄生效应的影响,1958,年,,F,类,PA,是一种由谐波控制的高效率,PA,2000,年,逆,F,类,PA,提高,F,类,PA,的效率,降低直流功率,2006,年,,J,类,PA,是一种利用调整二次谐波、控制电压与电流而获得良好宽带特性的,PA,2010,年,,Continuous F,类,PA,,实现宽带特性下功率器件的输出具有恒定功率、高效率特性,;,2012,年,,Continuous E,类,PA,的设计方法,使宽带,Continuous E,类,PA,的进一步实现有了可能,但目前仍处于理论研究中,二、功率放大器的分类,1958年,D类PA具有体积小、功率高等特点1975年,E类,三、射频功率放大器的主要指标,射频放大器的系统框图,三、射频功率放大器的主要指标射频放大器的系统框图,三、射频功率放大器的主要指标,工作频带,:,指放大器满足或者超过设计参数要求的工作频率范围。,输出功率,:,功率放大器的输出功率可以采用饱和输出功率,(Psat),或,1dB,压缩点输出功率,(P1dB),来表征,增益及增益平坦度,:,增益是指放大器输出端口的功率与输入端口功率的比值。,功率附加效率,PAE,:全面反映放大器输出功率与外加功率的关系,输入输出电压驻波比,:,表示放大器的输入输出端口与负载的匹配度,三、射频功率放大器的主要指标 工作频带:指放大器满足或者超过,参考文献,1,王志华,吴恩德,,“,CMOS,射频集成电路的现状与进展”,,电子学报,,2001.,2 Timothy C.Kuo and Bruce B.Lusignan,“,A 1.5W Class-F RF Power Amplifier in 0.2,m CMOS Technology”,in IEEE International Solid-State Circuits Conference,2001.,3 Alireza Shirvani,David K.Su and Bruce A.Wooley,“,A CMOS RF Power Amplifier with Parallel Amplification for Efficient Power Control”,in IEEE International Solid-State Circuits Conference,2001.,4 Mona M.Hella and Mohammed Ismail,“,A Digitally Controlled CMOS RF Power Amplifier”,in,IEEE Midwest Symposium on Circuits&Systems,2001.,5 Y.Kim,C.Park,H.Kim and S.Hong,“,CMOS RF power amplifier with reconfigurable transformer”,in ELECTRONICS LETTERS,March 2006,.,参考文献1 王志华,吴恩德,“CMOS射频集成电路的现状,参考文献,6 Patrick Reynaert and Michiel Steyaert,“,A Fully Integrated CMOS RF Power Amplifier with Parallel Power Combining and Power Control”,in,IEEE Asian Solid-State Circuits Conference,2005.,7 N.Srirattana,P.Sen,H.-M.Park,C.-H.Lee,P.E.Allen,and J.Laskar,“,Linear RF CMOS Power Amplifier with Improved Efficiency and Linearity in Wide Power Levels”,in IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium,2005.,8,戚威,,“射频功率放大器的研究与设计”,,硕士学位论文,,2009.,9,Hongtak Lee,Changkun Park,and Songcheol Hong,“A Quasi-Four-Pair Class-E CMOS RF Power Amplifier With an Integrated Passive Device Transformer”,IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,April 2009.,参考文献6 Patrick Reynaert and M,参考文献,10 Fada Yu,Enling Li,Ying Xue,Xue Wang and Yongxia Yuan,“Design of 2.1GHz RF CMOS Power Amplifier for 3G”,in International Conference on Networks Security,Wireless Communications and Trusted Computing,2009.,11 Brecht Franois and Patrick Reynaert,“A Fully Integrated Watt-Level Linear 900-MHz CMOS RF Power Amplif
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